CENTRO DE TECNOLOGIA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA MESTRADO ACADÊMICO EM ENGENHARIA ELÉTRICA
BRUNO RODRIGUES LISBOA
ESTUDO DE PROTEÇÃO CONTRA DESCARGAS ATMOSFÉRICAS DIRETAS EM UMA UNIDADE DE MINIGERAÇÃO FOTOVOLTAICA DISTRIBUÍDA
FORTALEZA 2018
ESTUDO DE PROTEÇÃO CONTRA DESCARGAS ATMOSFÉRICAS DIRETAS EM UMA UNIDADE DE MINIGERAÇÃO FOTOVOLTAICA DISTRIBUÍDA
Dissertação apresentada ao Curso de Mestrado Acadêmico em Engenharia Elétrica do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica do Centro de Tecnologia da Universidade Federal do Ceará, como requisito parcial à obtenção do título de mestre em Engenharia Elétrica. Área de Concentração: Sistemas de energia
Orientador: Prof. Dr. Ricardo Silva Thé Pontes
FORTALEZA 2018
Biblioteca Universitária
Gerada automaticamente pelo módulo Catalog, mediante os dados fornecidos pelo(a) autor(a)
L749e Lisboa, Bruno.
Estudo de proteção contra descargas atmosféricas diretas em uma unidade de minigeração fotovoltaica distribuída / Bruno Lisboa. – 2018.
76 f. : il. color.
Dissertação (mestrado) – Universidade Federal do Ceará, Centro de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Fortaleza, 2018.
Orientação: Prof. Dr. Ricardo Silva Thé Pontes.
1. Descargas atmosféricas. 2. Modelos de incidência. 3. Geração distribuída fotovoltaica. I. Título. CDD 621.3
ESTUDO DE PROTEÇÃO CONTRA DESCARGAS ATMOSFÉRICAS DIRETAS EM UMA UNIDADE DE MINIGERAÇÃO FOTOVOLTAICA DISTRIBUÍDA
Dissertação apresentada ao Curso de Mestrado Acadêmico em Engenharia Elétrica do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica do Centro de Tecnologia da Universidade Federal do Ceará, como requisito parcial à obtenção do título de mestre em Engenharia Elétrica. Área de Concentração: Sistemas de energia
Aprovada em: 31 de Agosto de 2018
BANCA EXAMINADORA
Prof. Dr. Ricardo Silva Thé Pontes (Orientador) Universidade Federal do Ceará (UFC)
Prof. Dr. Francisco Kleber de Araújo Lima Universidade Federal do Ceará (UFC)
Prof. Dr. Giovanni Cordeiro Barroso Universidade Federal do Ceará (UFC)
Prof. Dr. Cícero Marcus Tavares Cruz Universidade Federal do Ceará (UFC)
nidade dos estudos. À minha irmã pelo incentivo. Ao meu filho e futuro engenheiro eletricista Gui-lherme, por ser a razão de todo o meu esforço.
Ao Prof. Dr. Ricardo Silva Thé Pontes pela orientação e incentivo.
Ao doutorando Ednardo Rodrigues pela grande ajuda nas simulações e valiosas contribuições.
Aos demais colegas e professores do Programa de Pós-graduação em Engenharia Elétrica da Universidade Federal do Ceará.
A Universidade Federal do Semi-Árido por abrir as portas para realização do estudo de caso.
como um brinquedo, uma diversão; então ele se torna nosso amante, nosso mestre, e, finalmente, um tirano. A última fase é aquela em que você está praticamente dominado pela servidão, você mata o monstro, e o joga para o público."
O uso da geração fotovoltaica tem sido impulsionada por uma forte tendência de redução de custos de energia elétrica nas unidades consumidoras. Estes sistemas se encontram ao ar livre e estão sujeitos a incidência de descargas atmosféricas. Os métodos de proteção contra descargas atmosféricas sobre sistemas de geração fotovoltaicos ainda precisam ser desenvolvidos. Esta dissertação objetiva apresentar ganhos na área de proteção contra descargas atmosféricas, aplicada a sistemas de geração fotovoltaica. Para isso, foi realizado um estudo de caso em uma unidade de minigeração fotovoltaica distribuída localizada no semiárido nordestino, na cidade de Mossoró, no estado do Rio Grande do Norte. Neste trabalho é analisada a incidência de descargas atmosféricas através dos métodos tradicionalmente utilizados e previstos na Norma Regulamentadora Brasileira (NBR) 5419:2015, como o modelo do ângulo de proteção e a técnica das esferas rolantes. Também se realizou uma análise de incidência através do método Deflexão do campo elétrico (EFD), que foi proposto recentemente, e apresenta ganhos em relação aos métodos tradicionais, uma vez que ele considera na simulação além da geometria da estrutura, alguns parâmetros físicos, como a distribuição do Campo Elétrico, permissividade relativa dos materiais existentes na estrutura a ser protegida, além da permissividade do meio dielétrico. Os três modelos de incidência mostraram a necessidade de realizar a instalação de proteção contra descargas atmosféricas diretas na estrutura. Desta forma quatro cenários de proteção foram analisados, sendo o primeiro com captor ao redor das placas, contendo molduras em alumínio (A1); já o segundo cenário, o captor fica acima dos módulos fotovoltaicos (A2), que também possui alumínio nas molduras; o cenário (B1), em que a captação se apresenta ao redor da estrutura a ser protegida, porém a moldura do painel fotovoltaico é fabricada em fibra de vidro; e o cenário (B2) em que captação é estruturada acima dos painéis fotovoltaicos e a moldura dos módulos é constituída por fibra de vidro. Nos cenários A1 e A2, a proteção contra descargas atmosféricas diretas não foi satisfatória na análise de incidência do método EFD, uma vez que houve incidência de descargas diretas nas placas. Já os cenários B1 e B2 a proteção foi satisfatória, não havendo incidência direta de descargas atmosféricas, por conta da eliminação do captor natural com a substituição da moldura de alumínio por fibra de vidro.
Palavras-chave: Descargas atmosféricas. Modelos de incidência. Geração distribuída fotovol-taica.
The use of Distributed Generation (DG) is propelled by a strong tendency by consumer units to reduce their energy costs. This dissertation aims to present gains in the area of protection against lightning, applied to photovoltaic generation systems. For that, a case study was carried out in a distributed photovoltaic minigeration unit located in the northeastern semi-arid region, in the city of Mossoró, in the state of Rio Grande do Norte. In this work the incidence of atmospheric discharges is analyzed through the traditionally used and predicted methods in gls NBR 5419: 2015, as the protection angle model and the rolling ball technique. We also performed an incidence analysis using the gls EFD method, which was recently proposed, and presents gains over traditional methods, since it considers in the simulation besides the geometry of the structure, physical parameters such as field distribution electrical, relative permissiveness of existing materials and dielectric medium. The three incidence models showed the need to carry out the protection installation in the structure. In this way four protection scenarios were analyzed, being the first with captor around the plates, containing frames in aluminum (A1); already the second scenario, the captor is above the photovoltaic modules (A2), which also has aluminum in the frames; the scenario (B1), where the uptake occurs around the structure to be protected, however the photovoltaic panel frame is made of fiberglass; and the scenario (B2) in which uptake is structured above the photovoltaic panels and the frame of the modules is constituted by glass fiber. In scenarios A1 and A2, protection against direct atmospheric discharges was not satisfactory in the incidence analysis of the gls EFD method, since there was incidence of direct discharges on the plates. In the B1 and B2 scenarios the protection was satisfactory, not having a direct incidence of atmospheric discharges, due to the elimination of the natural captor with the replacement of the aluminum frame by fiberglass.
Figura 1 – Exemplo de uma descarga atmosférica . . . 20
Figura 2 – Parâmetros de um impulso de corrente . . . 21
Figura 3 – Desenho ilustrando os tipos de descargas atmosféricas . . . 23
Figura 4 – Conexões das partes da Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT) NBR 5419:2015 . . . 25
Figura 5 – Danos e perdas através do ponto de impacto . . . 27
Figura 6 – Ângulo de proteção de um captor Franklin . . . 33
Figura 7 – Técnica das esferas rolantes . . . 35
Figura 8 – Lugar geométrico das esferas fictícias . . . 35
Figura 9 – Aplicação do líder progressivo . . . 37
Figura 10 – Líder positivo . . . 38
Figura 11 – Diagrama da evolução de uma descarga atmosférica. (a) Líder descendente. (b) Circuito equivalente a um passo da descarga atmosférica. Composição vetorial do campo elétrico. (d) Líder ascendente. . . 39
Figura 12 – Configuração de um Sistema de Proteção contra Descargas Atmosféricas (SPDA) do tipo Franklin . . . 43
Figura 13 – Configuração da gaiola de Faraday . . . 43
Figura 14 – Comsol Multiphysics . . . 45
Figura 15 – Imagem geral da planta solar da UFERSA . . . 46
Figura 16 – Painel Canadian Solar . . . 47
Figura 17 – Inversor Solis 15K . . . 48
Figura 18 – Subestação . . . 49
Figura 19 – Quadro de distribuição e proteção . . . 50
Figura 20 – Padrão de aterramento do local . . . 51
Figura 21 – Quadro com DPS . . . 52
Figura 22 – Ligação dos DPS . . . 53
Figura 23 – Dimensões do painel fotovoltaico . . . 54
Figura 24 – Painel fotovoltaico, vista lateral . . . 55
Figura 25 – Ângulo de proteção do SPDA . . . 56
Figura 26 – Incidência por ângulo de proteção . . . 56
Figura 29 – Desenho da unidade de minigeração no Comsol . . . 59
Figura 30 – Domínio paralelepípedo (volume de ar) . . . 60
Figura 31 – Domínio retangular (Malha de elementos finitos) . . . 61
Figura 32 – Histograma da qualidade da malha . . . 61
Figura 33 – Potencial elétrico . . . 62
Figura 34 – Intensidade do campo elétrico . . . 63
Figura 35 – Simulação de descarga atmosférica . . . 64
Figura 36 – (a) topologia de proteção A ao redor das placas ; (b) topologia de proteção B sobre as placas . . . 65
Figura 37 – Simulação com cabo guarda abaixo da estrutura . . . 66
Figura 38 – Simulação com cabo guarda acima da estrutura . . . 67
Figura 39 – Simulação da topologia com cabo guarda ao redor da estrutura e molduras de fibra de vidro . . . 68
Figura 40 – Simulação da topologia com cabo guarda acima da estrutura e moldura de fibra de vidro . . . 69
Tabela 1 – Características das descargas atmosféricas . . . 22
Tabela 2 – Expressões sugeridas para cálculo do raio de atração . . . 34
Tabela 3 – Raios da esfera rolante por classe de proteção . . . 57
a.C Antes de Cristo
ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas CB Comitês Brasileiros
CEE Comissões de Estudos Especiais
COSERN Companhia Energetica do Rio Grande do Norte DDP Diferença de Potencial
DPS Dispositivo de Proteção Contra Surto de Tensão EFD Deflexão do campo elétrico
GD Geração distribuída
IEC Comissão Internacional de Eletrotécnica
IN Intra-nuvens
INPE Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais
LEMP Pulso Eletromagnético devido descargas atmosféricas MPS Medidas de Proteção Contra Surtos
NA Nuvem-ar
NB Norma Brasileira
NBR Norma Regulamentadora Brasileira
NS Nuvem-solo
ONS Organismos de Normalização Setorial Rt Risco tolerado
SN Solo-nuvem
SPDA Sistema de Proteção contra Descargas Atmosféricas UFERSA Universidade Federal do Semi-árido
I Corrente elétrica P Potência t Tempo V Tensão V Kilovolt A Ampere W Watt qL Carga elétrica kW Kilowatt MW Megawatt km Kilömetro kA Kiloampere
CO2 Dioxido de carbono kW p Kilowatt-pico
Hz Frequência
~
E Vetor campo elétrico
~
J Vetor densidade de corrente
R Resistência Ôhmica
σL Condutividade elétrica de um canal ionizado de uma descarga atmosférica
λt Comprimento do salto
∇t Gradiente
δt Delta
Zt Impedância
1 INTRODUÇÃO . . . 16
1.1 Justificativa . . . 17
1.2 Objetivos . . . 17
1.3 Contribuição dessa dissertação . . . 18
1.4 Estrutura da dissertação . . . 18
2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA . . . 19
2.1 Descargas atmosféricas . . . 19
2.1.1 Histórico das descargas atmosféricas . . . 19
2.1.2 Conceitos básicos sobre as descargas atmosféricas . . . 20
2.1.3 Tipos de descargas atmosféricas . . . 22
2.1.4 Descargas atmosféricas tipo nuvem-solo negativa . . . 23
2.2 A NBR 5419:2015 . . . 24
2.2.1 Histórico da ABNT NBR 5419 . . . 24
2.2.2 Principais modificações realizadas na NBR 5419:2015 . . . 24
2.2.3 Parte 01: Princípios Gerais . . . 26
2.2.4 Parte 02: Gerenciamento do risco . . . 26
2.2.5 Parte 03: Danos físicos às estruturas e perigos à vida . . . 29
2.2.6 Parte 04: Sistemas elétricos e eletrônicos internos na estrutura . . . 29
2.3 Geração distribuída . . . 30
2.3.1 Geração de energia fotovoltaica . . . 31
2.3.2 Principais componentes presentes no sistema fotovoltaico . . . 31
2.4 Modelos de incidência de descargas atmosféricas . . . 32
2.4.1 Ângulo de proteção . . . 32
2.4.2 Modelo eletrogeométrico e a técnica das esferas rolantes . . . 33
2.4.3 Modelo do líder progressivo . . . 36
2.4.4 Modelo da Deflexão do Campo Elétrico . . . 37
2.4.4.1 Aproximação Eletrostática. . . 41
2.5 Métodos de proteção contra descargas atmosféricas . . . 42
2.5.1 Método de “Franklin” . . . 42
2.6.1 Ferramenta computacional COMSOL Multiphysics . . . 45
3 IDENTIFICAÇÃO E CARACTERÍSTICAS GERAIS DA PLANTA . . 46
3.1 Painéis fotovoltaicos . . . 46
3.2 Inversores . . . 47
3.3 Subestação de distribuição . . . 49
3.4 Proteções elétricas . . . 50
3.5 Sistema de aterramento . . . 51
3.6 Proteção contra descargas atmosféricas . . . 52
4 ESTUDO DE CASO . . . 54
4.1 Análise de incidência de descargas atmosféricas na planta . . . 54
4.1.1 Análise de incidência - ângulo de proteção . . . 55
4.1.2 Análise de incidência - esferas rolantes . . . 56
4.1.3 Análise de incidência - EFD . . . 57
4.2 Topologias de proteção . . . 64
4.2.1 Cenário A1 . . . 66
4.2.2 Cenário B1 . . . 67
4.2.3 Cenário A2 . . . 67
4.2.4 Cenário B2 . . . 68
5 CONCLUSÕES E TRABALHOS FUTUROS . . . 70
REFERÊNCIAS . . . 71
APÊNDICES . . . 73
1 INTRODUÇÃO
As descargas atmosféricas certamente estão entre os fenômenos naturais mais rele-vantes da humanidade, uma vez que seu estudo está relacionado à segurança das pessoas, dos animais e à proteção de estruturas e equipamentos. Na antiguidade, as descargas atmosféricas eram associadas a deuses e divindades, inclusive os símbolos das descargas atmosféricas foram utilizados em desenhos produzidos por gregos em 700 Antes de Cristo (a.C), pois este fenômeno era atribuído a Zeus (RAKOV; UMAN, 2003).
Diante do grande crescimento tecnológico e demográfico que o mundo sofreu nos últimos anos, houve uma elevação significativa do risco de falhas ocasionadas pelas descargas atmosféricas, dentre as quais podemos citar as linhas de transmissão, os sistemas computacionais, as edificações e os sistemas de geração de energia.
As descargas atmosféricas são fenômenos naturais que sempre despertaram interesse dos seres humanos por conta de sua aparência, ruído e pelas ameaças que representam à vida e às estruturas. Pesquisas permitiram a criação de técnicas de detecção de descargas atmosféricas, sendo estas amplamente utilizadas atualmente (BETZ.; SCHUMANN, 2009).
Segundo o levantamento de dados realizado pelo Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE), o Brasil é o país que possui a maior incidência de descargas atmosféricas no mundo, anualmente são cerca de 50 milhões de descargas, obtendo, assim, uma média de 137 mil ocorrências por dia (GRUPO DE ELETRICIDADE ATMOSFÉRICA, 2015).
As descargas atmosféricas sempre foram muito atreladas à segurança de edificações e estruturas, porém com o crescimento significativo das fontes renováveis de energia e o surgimento da geração distribuída, na qual destacamos principalmente a fotovoltaica, está surgindo grande quantidade de unidades de microgeração e minigeração fotovoltaicas distribuídas.
A conversão da energia solar em energia elétrica é realizada através dos painéis fotovoltaicos, cuja instalação física normalmente é localizada na área superior das edificações, podendo também ser instalado no nível natural do terreno, em situações que não exista som-breamento, dito isso existe possibilidade de que se tornem um ponto de captação de descargas atmosféricas, existindo risco de danificar os painéis fotovoltaicos, acarretando em uma possível descontinuidade de geração de energia elétrica.
1.1 Justificativa
Sabendo que uma descarga atmosférica pode causar grandes danos às edificações, às pessoas e aos sistemas elétricos, surgiu a necessidade de se realizar um estudo voltado à proteção de um sistema de minigeração distribuída localizado dentro de uma Universidade no município de Mossoró, no estado do Rio Grande do Norte, verificando se esta se encontra protegida sob os modelos de incidência amplamente utilizados, e por uma técnica de simulação eletroestática por elementos finitos, em que nela se leva em consideração a característica do ar atmosférico da região, além dos materiais empregados no sistema de Geração distribuída (GD).
1.2 Objetivos
Em vista destas considerações, o presente trabalho tem como objetivo geral realizar a análise de incidência de descargas atmosféricas, em uma unidade de minigeração fotovoltaica distribuída com potência de geração de 150 kW, através de uma simulação eletroestática denomi-nada EFD, sigla do Inglês para Electric Field Defletion, comparando-a com métodos amplamente utilizados, como o ângulo do cone de proteção e a técnica das esferas rolantes, além de sugerir uma topologia de proteção ideal para o sistema. Para isso é apresentado a aplicação do método dos elementos finitos através do software, para cálculo e verificação da distribuição de campos elétricos e potenciais nos painéis fotovoltaicos.
A partir do objetivo geral, destacam-se os seguintes objetivos específicos: • Identificar as características gerais da planta;
• Realizar a análise de incidência de descargas atmosféricas na planta através do modelo do ângulo de proteção;
• Realizar a análise de incidência de descargas atmosféricas na planta através da técnica das esferas rolantes;
• Realizar a análise de incidência de descargas atmosféricas na planta, através do método de deflexão do campo elétrico utilizando o software de simulação computacional por elementos finitos Comsol;
• Sugerir uma topologia de proteção para a planta de minigeração fotovoltaica distribuída.
1.3 Contribuição dessa dissertação
A principal contribuição desse trabalho é validar a utilização do método de simulação eletroestática EFD através de elementos finitos, para servir como auxilio na elaboração de projetos de sistemas de proteção contra descargas atmosféricas. Dessa forma, a arquitetura e o posicionamento dos captores seriam mais confiáveis, possibilitando que a topologia de proteção empregada seja mais robusta. Como forma de validar a eficácia do EFD no auxilio da engenharia de proteção contra descargas atmosféricas, é realizado um estudo de caso em uma unidade de minigeração distribuída.
1.4 Estrutura da dissertação
Para alcançar os objetivos que foram propostos, esta dissertação apresenta, além do presente capítulo, demais estruturados da seguinte forma:
• Capítulo 2: Fundamentação teórica. Neste capítulo é apresentada toda a funda-mentação teórica que vai servir como base para elaboração dessa dissertação. Inicialmente é abordado o fenômeno de formação das descargas atmosféricas, assim como os tipos de descargas existentes; também é apresentada a metodologia para análise da necessidade técnica de um SPDA, segundo a NBR 5419:2015. São explanados também os modelos de incidência de descargas atmosféricas, métodos de proteção contra descargas atmosféricas, além da teoria dos elementos finitos.
• Capítulo 3: Características gerais e identificação da planta. Nele é apresentado o detalhamento da planta de minigeração distribuída fotovoltaica da Universidade Federal do Semi-árido Universidade Federal do Semi-árido (UFERSA), escolhida como objetivo de estudo da dissertação, identificando as características gerais da planta, como arquitetura, equipamentos elétricos e eletrônicos presentes na unidade.
• Capítulo 4: Estudo de caso. Neste capítulo é realizado a análise de incidência de descargas atmosféricas utilizando os métodos do ângulo de proteção, técnica das esferas rolantes e o modelo EFD, verificando a eficácia dos três, e as principais contribuições de cada, posteriormente é sugerido uma topologia de proteção baseada nas análises realizadas, a fim de garantir que o sistema esteja protegido.
• Capítulo 5: Conclusão. Por fim, este capítulo tem como objetivo apresentar as discussões e as considerações finais desta dissertação.
2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
Este capítulo tem por finalidade, apresentar os conceitos básicos necessários para entendimento desta dissertação. Inicialmente é fundamentado a teoria de formação das descargas atmosféricas, assim como explanado o seu histórico ao longo dos anos. Por conseguinte é realizado o estudo da NBR 5419:2015, com objetivo de entender os critérios de análise e proteção contra descargas atmosféricas, além de serem explicadas a teoria dos elementos finitos, a análise de incidência de descargas atmosféricas e as topologias de proteção.
2.1 Descargas atmosféricas
As descargas atmosféricas sempre foram um fenômeno admirado e temido por toda civilização, alguns povos atribuíam este fenômeno aos deuses e divindades que os lançavam sobre a terra como sinal de reprovação, ou de que haveria tempos prósperos para a lavoura. Outros povos associavam que os raios eram produzidos pelas batidas de um poderoso martelo, que o efeito estrondoso originava os raios e trovões (BORTOLADO, 2017).
2.1.1 Histórico das descargas atmosféricas
O cientista e inventor americano Benjamin Franklin (1706-1790), ficou conhecido internacionalmente por conta de suas descobertas sobre a eletricidade e, também por conseguir demostrar que os raios são fenômenos de natureza elétrica.
Franklin desenvolveu um experimento, a fim de comprovar que as descargas at-mosféricas eram de origem a própria natureza, ele fez uma pipa voar presa a um condutor metálico aterrado, durante uma forte chuva. Dessa forma, foi possível que ele comprovasse que as descargas atmosféricas ocorriam de forma natural. Apesar desses fatos serem relatados em seus escritos, ainda hoje é questionado se ele realmente realizou esse experimento.
A partir desse experimento, Benjamin Franklin propôs que se houvesse um transporte das descargas atmosféricas através de hastes metálicas até o solo, pois desse modo seria possível impedir que os raios atingissem qualquer estrutura ao seu redor. Sugeriu que fosse colocado, acima das casas, uma ponta metálica com hastes em contato com a terra, propiciando a condução da corrente elétrica sem que o raio causasse danos às estruturas circunvizinhas. Com isso, surgia o pára-raio e este é o conceito de um dos métodos de proteção contra descargas atmosféricas ser conhecido como método Franklin (BORTOLADO, 2017).
2.1.2 Conceitos básicos sobre as descargas atmosféricas
As descargas atmosféricas, como o próprio nome sugere, são descargas elétricas que ocorrem na atmosfera, possuindo a duração geralmente menor que um segundo e magnitude de corrente na ordem de milhares de amperes (RAKOV; UMAN, 2003).
Ela consiste em um fenômeno complexo, e se apresenta como uma corrente impulsiva de alta intensidade e curta duração, em que o percurso de alguns quilômetros parte de uma nuvem podendo até atingir a superfície da terra (VISACRO, 2005).
A característica impulsiva da corrente se deve ao fato de em um reduzido período de tempo (ordem de microssegundos) a amplitude da corrente elétrica alcança o seu valor de crista, que se caracteriza como o máximo valor atingido (VISACRO, 2005).
Figura 1 – Exemplo de uma descarga atmosfé-rica
Fonte: Visacro (2005)
Uma descarga atmosférica pode atingir temperaturas superiores a 3.000 graus Celsius, esse aquecimento associado resulta em um efeito luminoso conhecido como relâmpago, além da expansão abrupta do ar circunvizinho ao canal com o deslocamento de uma onda sonora, conhecido como trovão (VISACRO, 2005).
A cada segundo, cai sobre a Terra aproximadamente cerca de 50 a 100 raios, o que equivale a 10 milhões de descargas por dia ou três bilhões por ano, acarretando em prejuízos e mortes. Entre os anos 2000 e 2012, foram registradas 1.601 mortes causadas por descargas atmosféricas (SILVA, 2015, Citado na página 19).
Para que exista uma descarga atmosférica, é necessário que exista o carregamento de uma nuvem com cargas elétricas positivas e negativas, porém não existe um consenso até
hoje sobre o processo de eletrificação das nuvens, existindo uma teoria sobre a precipitação das nuvens, na qual partículas pesadas tendem a descer e as mais leves sobem. Com isso, existe a separação das cargas e a formação de um dipolo devido às correntes de ar ascendentes (SUETA, 2005).
Dentro do curto período de tempo de ocorrência de uma descarga atmosférica, podem ser destacados três momentos. O tempo de subida ou de frente (tempo para que o raio atinja o valor máximo), tempo de meia onda ou de meio valor (tempo necessário para que o raio atinja 50% do valor de pico) e a cauda da onda (intervalo a partir do tempo de subida, seguido por um período mais longo e suave no qual a corrente decai até desaparecer), conforme pode ser observado no desenho da Figura 02.
Figura 2 – Parâmetros de um impulso de corrente
Fonte: ABNT (2015)
Em que:
O1 = origem virtual; I = corrente de pico; T1 = tempo de frente; T2 = tempo até meio valor; i = polaridade.
A descarga atmosférica é iniciada quando o campo elétrico produzido por estas cargas supera a capacidade isolante do ar, também conhecida como rigidez dielétrica, que pode ser dentro da nuvem ou próximo ao solo. Uma vez quebrada essa rigidez, se inicia um rápido movimento de elétrons de uma região de cargas negativas para uma região de cargas positivas. Existem diversos tipos de descargas, classificadas em função do local onde se originam e do local onde terminam (VISACRO, 2005).
Os valores médios das grandezas físicas das descargas atmosféricas são mostrados na tabela 01.
Tabela 1 – Características das descargas atmosféri-cas
Parâmetros Valores Unidade
Corrente 2000 a 200.000 A
Tensão 100 a 1.000.000 kV
Duração 70 a 200 s
Carga elétrica da nuvem 20 a 50 C
Potência liberada 1000 a 8.000 milhões kW
Energia 4 a 10 kWh
Tempo de crista 1,2 s
Tempo de meia cauda 50 s
Fonte: o autor
2.1.3 Tipos de descargas atmosféricas
As descargas atmosféricas podem ser divididas de dois modos destintos: descargas diretas e indiretas.
A descargas diretas ocorrem quando o canal principal incide diretamente sobre determinados objetos, sendo responsável por ocasionar os danos mais severos. Uma descarga direta sobre uma edificação, por exemplo, pode destruir paredes, fundir materiais metálicos, danificar e/ou destruir antenas e cabos de comunicações, entre outros (VISACRO, 2005).
Já as descargas indiretas os efeitos ocorrerá distante do ponto de queda do raio. Quando o líder descendente se encontra com o ascendente e o circuito é fechado, ocorre uma descarga de grande intensidade fazendo com que o canal ionizante alcance altas temperatu-ras produzindo elevados campos eletromagnéticos produzidos em torno deste canal principal (VISACRO, 2005).
As descargas atmosféricas também podem ser classificadas em: Intra-nuvens (IN), Nuvem-ar (NA), Nuvem-solo (NS) ou descendentes e Solo-nuvem (SN) ou ascendentes. Os raios que vão para o solo recebem também duas classificações, que são os positivos (+NS) e os negativos (-NS), onde os positivos são os que transferem carga líquida positiva para o solo e os negativos são os que transferem carga líquida negativa para o solo.
De forma semelhante ocorre com os ascendentes, que são originados geralmente por estruturas altas como torres e possuem cargas positivas no seu canal principal (mas mesmo assim, podem transferir carga líquida negativa para o solo).
As descargas intra-nuvens são as mais comuns entre as citadas, é estimado que elas representam cerca de 80% do total dentre os diversos tipos de descargas atmosféricas (PINTO JUNIOR; PINTO, 2000).
Devido as grandes catástrofes que podem ser causadas, as descargas tipo NS são as mais importantes a serem estudadas (SHIGIHARA, 2005).
Figura 3 – Desenho ilustrando os tipos de descargas atmosféricas
Fonte: adaptado da Romero (2005)
2.1.4 Descargas atmosféricas tipo nuvem-solo negativa
Para a engenharia de proteção, as descargas atmosféricas tipo nuvem-solo são as mais importantes. Elas são classificadas quanto à sua polaridade, podendo ser positiva ou negativa. As descargas negativas realiza a transferências de elétrons, e a descargas positivas são representadas essencialmente por prótons e outros íons positivos. A maioria das descargas nuvem-solo possuem polaridade negativa Visacro (2005).
A formação de uma descarga tipo nuvem-solo negativa ocorre através do carrega-mento da base de uma nuvem com cargas elétricas negativas, induzindo no solo uma enorme concentração de cargas elétricas com sinal contrário, ocorrendo uma repulsão de elétrons na superfície do solo.
Diante do exposto, existem duas regiões cujas cargas possuem polaridades opostas, gerando assim um intenso campo elétrico, sob várias centenas de megavolts, cujo sentido do vetor a ele associado é do solo para a nuvem (VISACRO, 2005).
2.2 A NBR 5419:2015
A Associação Brasilerira de Normas Técnicas (ABNT), foi fundada no ano de 1940 como uma organização privada sem fins lucrativos. A ABNT é responsável pela elaboração das normas técnicas brasileiras através de seus Comitês Brasileiros (CB) (ABNT/CB), Organis-mos de Normalização Setorial (ONS) (ABNT/ONS) e Comissões de Estudos Especiais (CEE) (ABNT/CEE).
A ABNT NBR 5419 é a norma responsável pela proteção contra descargas atmos-féricas no Brasil. Seu histórico, principais modificações e aspetos gerias serão abordados nas subseções as seguir.
2.2.1 Histórico da ABNT NBR 5419
A NBR 5419 foi publicada em 1977, a partir de uma revisão da norma Norma Brasileira (NB)-1-65. Em 1993 a norma sofreu alterações significativas em relação a sua versão anterior. No ano de 2001 a NBR 5419 revisou a sua versão do ano de 1993, baseando-se na norma da Comissão Internacional de Eletrotécnica (IEC) 61.024 (Proteção de Estrutura Contra Raios).
No ano de 2005 a NBR 5419 passou por mais uma revisão, foi criada a Emenda 1, na qual foram substituídas tabelas e figuras baseadas em novos parâmetros da corrente da descarga atmosférica.
Em janeiro de 2006 a norma IEC 61.024 ganhou uma nova versão totalmente reformulada, passando a se chamar IEC 62.305, havendo a sua subdivisão em quatro volumes, sendo eles: princípios gerais, gerenciamento de risco, danos físicos e proteção de sistemas elétricos e eletrônicos no interior de estruturas protegidas. A alteração da norma IEC, na qual era baseada a ABNT NBR 5419 de 2005 acarretou em um projeto de revisão da norma brasileira.
Após dez anos de estudo baseados na norma IEC 62.305, a nova versão da ABNT 5419 foi publicada no ano de 2015, a partir de uma drástica alteração da anterior, culminando em uma norma muito mais robusta e mais detalhada.
2.2.2 Principais modificações realizadas na NBR 5419:2015
A mudança mais notável é na quantidade total de páginas da norma atual (ano de 2015), passando de quarenta e duas páginas em 2005 para mais de trezentas, além da divisão da
norma em quatro partes:
• Parte 01: Princípios gerais; • Parte 02: Gerenciamento de risco;
• Parte 03: Danos físicos às estruturas e perigo de vida;
• Parte 04: Sistemas elétricos e eletrônicos internos na estrutura (ABNT, 2015). Na Figura 4, pode ser verificado as conexões entre as partes da ABNT NBR 5419:2015 através de um fluxograma, em que temos uma ameaça de descarga atmosférica (parte 01), com seus devidos riscos associados (parte 02), além de uma escolha de topologia de proteção, que pode ser realizado através de um SPDA (parte 03) ou com uso de Medidas de Proteção Contra Surtos (MPS) (parte 04).
Figura 4 – Conexões das partes da ABNT NBR 5419:2015
Fonte: adaptado da ABNT (2015)
Outra mudança significativa da norma foi o acréscimo do conteúdo abordado na parte 4, que detalha a proteção de equipamentos eletroeletrônicos no interior da estrutura utilizando as chamadas MPS, e trata basicamente de aspectos gerais ligados à compatibilidade eletromagnética e proteção para equipamentos elétricos e eletrônicos.
Também houve modificação em relação a engenharia de proteção, como por exemplo a alteração dos condutores de descida, que anteriormente poderiam possuir secção transversal
de 16 mm2, e com a atualização de 2015, os cabos passaram a ser de no mínimo 35 mm2. A continuidade elétrica da armadura de concreto armado também foi um parâmetro importante alterado, atualmente seus valores de medição devem ser iguais ou inferior a 0,2 ohms, bem menor do que o valor anterior da norma que era de 1 ohm. Para o sistema de aterramento foi retirado a obrigatoriedade de se realizar o ensaio de medição ôhmica, cujo valor sugerido máximo era de 10 ohms.
2.2.3 Parte 01: Princípios Gerais
A NBR 5419-1:2015 trata de forma geral como deve ser realizada a proteção contra descargas atmosféricas, descrevendo a teoria envolvida para viabilizar a elaboração de projetos. Na norma também são definidos parâmetros importantes, dentre os quais podemos citar: correntes das descargas, níveis de proteção do sistema, taxas de subida e durações dos impulsos de corrente, além de descrever os principais danos causados pelas descargas atmosféricas que podem impactar diretamente as estruturas ou sua circunvizinhança.
Esta primeira parte da ABNT NBR 5419:2015 estabelece que a necessidade de um objeto ser protegido contra descargas atmosféricas deve ser avaliada, de modo a reduzir as perdas de valor social L1, L2, L3 e L4 sendo L1: perda de vida humana; L2: perda de serviço ao público; L3: perda de patrimônio cultural; L4: perda de valor econômico.
Para avaliar se existe necessidade de construir um sistema de proteção contra des-cargas atmosféricas, deve ser realizada uma avaliação de risco, de acordo com procedimentos recomendados pela NBR 5419-2. A proteção contra descargas atmosféricas é necessária se o risco calculado for maior que o risco tolerado de referência da norma.
2.2.4 Parte 02: Gerenciamento do risco
Na parte 02 é realizado um estudo sobre a estrutura, indicando parâmetros ao redor como as linhas elétricas existentes, indicando também as medidas de proteção à estrutura, às pessoas e aos equipamentos, a fim de verificar se o risco encontra-se dentro de limites toleráveis.
Para avaliar se uma estrutura precisa ou não ser protegida, é necessário realizar um estudo com as fontes de danos às estruturas decorrentes das descargas atmosféricas, sendo consideradas quatro situações bem definidas: descarga na estrutura, na proximidade da estrutura, na rede elétrica e na proximidade da rede.
e falhas nos sistemas elétricos e eletrônicos.
Entende-se como risco, o valor de uma provável perda média anual de vida e bens devido às descargas atmosféricas, em relação ao valor total dos objetos a serem protegidos. Riscos esses que têm dependência do valor do número anual de descargas atmosféricas que influenciam a estrutura, da probabilidade de dano causado por uma das descargas atmosféricas que podem influenciar nesta estrutura e da quantidade média das consequentes perdas.
A Figura 5, relaciona as fontes de danos, tipos de danos e de perdas de acordo com o ponto de impacto da descarga atmosférica.
Figura 5 – Danos e perdas através do ponto de impacto
Fonte: adaptado da ABNT (2015)
Conforme observado é necessário a realização de cálculos referente aos riscos de uma determinada estrutura, o risco vai depender do número anual de descargas atmosféricas que incidem na estrutura ou próximo a ela.
A NBR 5419-1:2015 julga necessário a existência de proteção caso o risco R (R1 a R4) for maior do que o Risco tolerado (Rt) (ABNT, 2015).
Esses componentes de riscos podem ser analisados através de equações básicas. A seguir será exposto como realizar o equacionamento desses riscos.
Tais componentes se relacionam através dos equacionamentos a seguir:
Rx= Nx× Px× Lx. (2.1)
Em que:
a) Nx é o número de eventos perigosos por ano;
b) Pxé a probabilidade de dano a estrutura;
c) Lxé a perda consequente.
Deve se utilizar esse equacionamento para análise dos componentes Ra, Rb, Rc, Rm,
Ru, Rv, Rw e Rz.
Em que:
• Ra: componente relativo a ferimentos aos seres vivos causados por choque elétrico
devido a tensões de passo e de toque em distâncias de até 03 m do lado de fora da estrutura; • Rb: componente relativo a danos físicos causados por centelhamentos perigosos
dentro da estrutura iniciando incêndio ou explosão, os quais podem também colocar em perigo o meio ambiente;
• Rc: componente devido à falha de sistemas internos causados por LEMPs (pulsos
eletromagnéticos devido aos raios) por conta de descargas que atingem a estrutura;
• Rm: Falha de sistemas internos causada por LEMPs devido às descargas que
atingem áreas perto da estrutura;
• Ru: componente relativo a ferimentos aos seres vivos causados por choque elétrico
por causa das tensões de toque e passo dentro da estrutura ocasionadas por descargas que atingiram a linha elétrica conectada à estrutura;
• Rv: Componente relativo a danos físicos (incêndio ou explosão iniciados por
centelhamentos perigosos entre instalações externas e partes metálicas geralmente no ponto de entrada da linha na estrutura) devido à corrente da descarga atmosférica transmitida ao longo das linhas;
• Rw: Componente relativo a falhas de sistemas internos causados por sobretensões
induzidas nas linhas que entram na estrutura e são transmitidas a esta;
• Rz: Componente relativo a falhas de sistemas internos causados por sobretensões
induzidas nas linhas que entram na estrutura e são transmitidas a esta, geralmente em estrutura com risco de explosão, hospitais e outras com riscos de vida por falha de sistemas internos. (ABNT, 2015).
2.2.5 Parte 03: Danos físicos às estruturas e perigos à vida
Na parte 03 da NBR 5419:2015, é relatada a proteção ao redor e no interior de uma determinada estrutura contra lesões a seres vivos e danos físicos. Assim, é considerado por ela que a parte mais eficaz é o SPDA, sistema que pode ter uma proteção interna e uma externa.
O SPDA de proteção externa é destinado a captar as descargas atmosféricas através do subsistema de captação. Conduzir a corrente da descarga atmosférica pelo subsistema de descida e, por fim, dispersar essa corrente para a terra através do subsistema de aterramento.
Já o SPDA interno é destinado a mitigar os riscos de centelhamentos perigosos dentro da estrutura protegida pelo SPDA externo, através de ligações equipotenciais do sistema de aterramento de equipamentos elétricos, além de estruturas metálicas condutoras estranhas à instalação elétrica.
A parte 03 também visa munir o projetista de informações importantes para elabora-ção de um projeto, como por exemplo:
• Definição da arquitetura do subsistema de captação; • Relação dos espaçamentos dos condutores de descidas; • Especificação de materiais para o subsistema de aterramento; • Critérios para elaboração de manutenção e inspeção de um SPDA; • Proteção contra tensão de passo e toque;
• Parâmetros de equipotencialização.
2.2.6 Parte 04: Sistemas elétricos e eletrônicos internos na estrutura
Os equipamentos eletrônicos sofrem bastante com as descargas atmosféricas, haja vista que a corrente de uma descarga atmosférica pode atingir magnitude bastante elevada po-dendo acarretar falhas em seu funcionamento, dentre as quais podemos citar os surtos conduzidos e induzidos pelos condutores conectados ao sistema. Para que exista a proteção dos equipamentos eletrônicos, é necessário a implementação de medidas adicionais, tais como a instalação de Dispositivo de Proteção Contra Surto de Tensão (DPS) (ABNT, 2015).
Os surtos de tensão na estrutura podem se originar a partir de fontes externas ou internas à própria estrutura. Quando o surtos é de origem externa à estrutura eles são provenientes das descargas atmosféricas que atingem as linhas na estrutura, ou o solo próximo a elas, e são transmitidos aos sistemas elétricos e eletrônicos dentro da estrutura por meio destas linhas. Já
os surtos com origem interna à estrutura são criados por descargas atmosféricas que atingem a própria estrutura ou o solo próximo a ela.
Quando temos um impacto direto sobre a estrutura, é constatado tanto o acoplamento magnético, efeito entre um componente do SPDA e um condutor que corre paralelamente a ele, como também o acoplamento resistivo, efeito entre os condutores de proteção e as estruturas metálicas que são interligadas a esses componentes. Os surtos de tensão que ocorrem através de um acoplamento resistivo podem gerar descargas perigosas, pois contêm energia suficiente para iniciar um incêndio ou destruir equipamentos. O acoplamento resistivo entre as partes condutoras também provoca o aparecimento de tensões perigosas de passo e de toque.
No caso do impacto indireto sobre a estrutura, falamos apenas do acoplamento magnético. Os surtos de tensão são gerados pelo campo magnético variante associado a corrente em alta frequência do raio que faz contato com as partes metálicas condutoras da estrutura (FINDER, 2012).
A proteção contra Pulso Eletromagnético devido descargas atmosféricas (LEMP) é baseada na teoria das Zona de proteção contra raios (ZPR), que visa assegurar uma redução gradual das sobretensões ocasionadas por conta das descargas atmosféricas. Ele consiste em dividir a instalação em diversos volumes, que são as zonas de proteções.
Cada zona é caracterizada por um nível máximo de sobretensão e de corrente de surto admissível. Os níveis são especificados de acordo com as características elétricas dos dispositivos presentes nesta zona de proteção. Para isto, é necessária a instalação de um DPS específico para uma determinada zona de proteção, ou seja, quando é realizado a instalação de um DPS, é criada de uma nova zona de proteção.
2.3 Geração distribuída
O termo GD é usualmente empregado para designar a geração distribuída que pode ser caracterizada como a geração de energia elétrica localizada próximo ao seu consumo, além disso ela dispensa o uso de acumuladores de energia, uma vez que a energia produzida pode ser consumida pelas cargas de um determinado sistema ou injetada diretamente na rede elétrica da concessionária local de energia.
A GD apresenta grande vantagem em comparação com a geração centralizada (gerada em grandes centros) que é a redução significativa das perdas de energia em virtude da geração está próximo aos centros de consumo, outra grande vantagem da GD é a possibilidade de
armazenamento da energia por ela suprida nos grandes reservatórios das hidrelétricas, e também, um melhor aproveitamento da sazonalidade à qual alguns tipos de geração estão associados.
A GD pode ser classificada em grande, médio e pequeno porte quanto à magnitude de potência instalada. Normalmente as instalações de pequeno e médio porte abastecem residências e pequenos empreendimentos comerciais, já as instalações de grande porte podem fornecer energia para indústrias e grandes centros comerciais.
Existe também o conceito de micro e minigeração, que também é aplicado à potência instalada do sistema elétrico de geração. No Brasil temos as seguintes definições:
Microgeração distribuída: central geradora de energia elétrica com potência instalada menor ou igual a 75 kW e que utilize fontes com base em energia hidráulica, solar, biomassa ou coogeração qualificada, conectada na rede de distribuição por meio de instalações de unidades consumidoras.
Minigeração distribuída: central geradora de energia elétrica com potência insta-lada superior a 75 kW e menor ou igual a 3 MW para fontes hídricas, já para outras fontes é considerada potência instalada superior a 75 kW e inferior ou igual a 5 MW (ANEEL687, 2015).
2.3.1 Geração de energia fotovoltaica
A geração de energia fotovoltaica, funciona através do efeito fotovoltaico, fenômeno descoberto em 1839, por Edmond Becquerel, quando uma célula eletroquímica submetida à irra-diação solar apresentou uma Diferença de Potencial (DDP) nos seus extremos, que interligados por um fio condutor resultou no estabelecimento de corrente elétrica.
Em 1876 foi desenvolvido o primeiro sistema fotovoltaico, por W. G. Adams. Mais de cem anos da descoberta do efeito, em 1956 iniciou-se a produção industrial dos painéis, sendo fabricadas, nos Laboratórios Bell nos Estados Unidos, as primeiras células fotovoltaicas possuíam eficiência muito baixa (PINHO JOAO T ; MARCO, 2014).
2.3.2 Principais componentes presentes no sistema fotovoltaico
Os principais componentes presentes em um sistema fotovoltaico são as células, mó-dulos e os inversores. As células fotovoltaicas são fabricadas através de materiais semicondutores (normalmente de silício), sendo caracterizada como a unidade fundamental para a conversão de energia radiante do sol em eletricidade.
usualmente ligadas em série, com a finalidade de obter resistência mecânica as intempéries ocasionadas pelo ambiente, além de garantir parâmetros elétricos de tensão e corrente, uma vez que uma célula típica produz menos de 3 Wp, com uma tensão de aproximadamente 0,5 V.
As células são prensadas dentro de lâminas plásticas, na parte frontal é acrescida a lâmina de vidro, ao passo que ao redor da placa é instalado uma moldura normalmente constituída de alumínio, que é o mais utilizado. Existe também a possibilidade de se utilizar um material isolante, como a fibra de vidro. A associação de módulos fotovoltaicos, em série e/ou paralelo, resultará no arranjo fotovoltaico (PINHO JOAO T ; MARCO, 2014).
O inversor é o equipamento eletrônico que realizar a conversão de energia em corrente contínua gerada pelo arranjo fotovoltaico, para energia em corrente alternada viabilizando a sua utilização na rede elétrica. Ele possui a característica de funcionar como fonte de corrente para o sistema elétrico, pois opera em paralelo com a rede elétrica, fornecendo um fluxo de potência em fase e com características muito similares ao da rede elétrica, possibilitando o paralelismo (URBANETZ, 2012).
Os inversores possuem uma função de monitoramento contínuo de alguns parâmetros da rede elétrica que operam em paralelo, sendo os três principais parâmetros: tensão, frequência e impedância da rede elétrica.
2.4 Modelos de incidência de descargas atmosféricas
Os principais modelos para análise de incidência de descargas atmosféricas são: Método do ângulo de proteção, Técnica das esferas rolantes e o Modelo do líder progressivo. Abaixo são descritos cada um deles, e também será descrito um modelo recentemente proposto na literatura, que é baseado na deflexão do campo eletroestático, denominado e EFD.
2.4.1 Ângulo de proteção
O modelo do ângulo de proteção é um dos mais empregados na análise de incidências de descargas atmosféricas, foi a primeira convenção de delimitação da zona de proteção, a mesma foi elaborada por um comitê em que Benjamin Franklin era membro (CAVENDISH et al., 1773).
Ele é baseado na criação de um ângulo entre a ponta da haste vertical e uma linha que deve ser projetada até a superfície, conforme pode ser observado na Figura 06. O ângulo varia de acordo com a altura da haste e a classe de proteção, essa variação se apresenta na ordem de 23◦a 80◦.
Esse método é empregado em edifícios, principalmente os que possuem altura inferior a 60 metros. Para sabermos se uma dada estrutura está dentro do volume de proteção, verifica-se a posição dos captores tanto em plantas como em elevação e cortes laterais (ABNT, 2015).
Figura 6 – Ângulo de proteção de um captor Franklin
Fonte: ABNT (2015)
2.4.2 Modelo eletrogeométrico e a técnica das esferas rolantes
É fundamentado no conceito de raio de atração, que pode ser caracterizado na distância estimada entre um canal descendente e a estrutura conectada à terra, na qual existirá um seccionamento do percurso entre o canal descendente e ascendente.
De acordo com experimentos laboratoriais, registros fotográficos e filmagens de algumas incidências de descargas atmosféricas, foi relacionado o módulo do pico da corrente de descarga com o raio de atração. Na Tabela 2, pode-se visualizar as expressões sugeridas na literatura para cálculo do raio de atração.
Tabela 2 – Expressões sugeridas para cálculo do raio de atração
Referência Expressão Ra(m), Ip(kA) Brown, Whitehead Ra= 7, 1I0,75p Love, Anderson Ra= 10I0,65p
Armstrong Ra= 6, 7Ip0,8
ABNT NBR 5419:2015 Ra= 2 ∗ (Ip) + 30(1 − e−Ip) Fonte: o autor
Atualmente, o método mais aplicado do modelo eletrogeométrico são as esferas rolantes, nesse método existe uma coordenação entre o raio da esfera e o nível de proteção oferecido pelo SPDA, ou seja, quanto menor o raio da esfera rolante, maior será o nível de proteção fornecido pelo sistema de proteção contra descargas atmosféricas. Esse método delimita o volume de proteção dos captores de um sistema de proteção contra descargas atmosféricas, sendo também bastante utilizado em estruturas que possuem altura elevada ou com formas arquitetônicas diferenciadas (ABNT, 2015).
Toda a teoria da esfera rolante é baseada no conceito da distância de atração, que pode ser caracterizado como a distância entre a ponta do líder escalonado e o ponto de queda do raio no solo, instantaneamente da quebra da rigidez dielétrica do ar próximo ao solo, além disso deve ser considerado que a zona de proteção depende do pico de corrente da descarga de retorno, já que a distância de atração é diretamente proporcional ao pico de corrente (PINTO JUNIOR; PINTO, 2000).
Podemos afirmar que o método da esfera rolante é uma evolução do método do ângulo de proteção para o caso de existir combinação de proteção entre captores, pois, com isso, a proteção oferecida começa a ser superior. Caso a análise seja somente para um captor, teremos um resultado bastante parecido (KINDERMANN, 1997).
Na Figura 7 podemos visualizar um exemplo de aplicação da técnica das esferas rolantes. Nesse caso, temos uma esfera com um determinado raio R que pode ser rolada sobre as estruturas, a área abrangida pelas esferas representa o volume de proteção fornecido por elas.
Figura 7 – Técnica das esferas rolantes
Fonte: Cooray (2010)
O raio das esferas rolantes é fictício, ou seja, não possui precisão definida, por conta disso é necessário obtermos a zona de proteção através da base de uma parábola, onde existe o centro de todas as esferas de raio R variável. O volume de proteção abrange os pontos nos quais a esfera toca ao ser rolada em uma determinada estrutura. Dito isso, a região que se apresenta hachurada na Figura 8 é caracterizada como a região de proteção oferecida pelo captor de altura h.
Figura 8 – Lugar geométrico das esferas fictícias
2.4.3 Modelo do líder progressivo
O modelo de progressão do líder surgiu através da idealização de dois engenheiros italianos, Dellera e Garbagnati. O método consiste em representar a evolução do canal descen-dente das descargas atmosféricas em determinados instantes, com intuito de se obter a trajetória dos raios, considerando o campo elétrico existente na extremidade do canal e o campo elétrico médio que levasse a uma nova descarga atmosférica.
Para realizar esse modelo de incidência, é necessário realizar uma simulação da distribuição de cargas na nuvem e no solo através do método de simulação de cargas, levando em consideração algumas variáveis como por exemplo, a distância lateral da estrutura e a largura da falha de blindagem.
Esse método possibilitou que houvesse uma evolução significativa de proteção de es-truturas, porém ele possui uma grande desvantagem: o longo tempo de simulação. Normalmente não é amplamente utilizado em estruturas devido à sua grande complexidade de implementação (DELLERA; GARBAGNATI, 1990).
Este modelo pode ser usado em diferentes condições topográficas onde os modelos geométricos podem induzir a erros, como em linhas de transmissão sobre colinas. A Figura 9 (a) representa uma simulação bidimensional de uma linha de transmissão de 420 kV sobre o solo horizontal ao nível do mar. A Figura 9 (b) representa a seção transversal da linha de transmissão a 200 m de altura sobre a encosta de uma colina de 1 km de extensão e 300 m de altura. A Figura 9 (c) representa a linha de transmissão sobre o topo da colina. Os dois pontos superiores, representam os cabos guarda em secção transversal, os três pontos imediatamente inferiores são as três fases da linha.
Figura 9 – Aplicação do líder progressivo
Fonte: Dellera e Garbagnati (1990)
Nos casos sobre uma encosta ou topo de uma colina, como verificado na Figura 9, utilizando o mesmo projeto de posicionamento de cabos de guarda, haveria uma falha de blindagem e as fases seriam atingidas, o que poderia causar uma sobretensão da linha, abrindo a proteção do sistema de transmissão, ou até mesmo danificar transformadores e isoladores.
2.4.4 Modelo da Deflexão do Campo Elétrico
O modelo da Deflecão do Campo Elétrico ou Eletric Field Deflection (EFD) em inglês, é um modelo proposto recentemente por Rodrigues et al. (2016). Ele é baseado na deflexão do campo elétrico devido a ionização do ar que faz com que a descarga atmosférica procure o caminho com menor rigidez dielétrica para um determinado potencial (RODRIGUES et al., 2016). Esta deflexão é proporcional ao comprimento médio do passo da descarga atmosférica e ao gradiente do módulo do campo elétrico. É utilizado o modelo do capacitor de placas paralelas com o meio dielétrico sendo o ar. A placa superior representa a base de nuvem, e a placa inferior, a superfície do solo. A direção da trajetória de descarga atmosférica é obtida pelo vetor direcional a partir do seguinte equacionamento:
Figura 10 para definição dos elementos de um líder escalonado de uma DA, adaptada de Gorin et al.(1976). Rotulado por 1, tem-se a ponta ou cabeça do líder (leader tip), 2 indica o canal do líder (leader channel) e 3 identifica a zona de canais-piloto ou zona de eflúvios corona (streamer zone).
Figura 10 – Líder positivo
Fonte: Gorin et al. (1976)
As descargas atmosféricas descendentes, predominantemente, possuem carga elétrica qL negativa (VISACRO, 2005), contudo, para fundamentação, considere um líder descendente de carga positiva como mostrado na Figura 11a. No instante t, a ponta do líder encontra-se na posição ~rt onde o potencial é VL(~rt) e o campo elétrico é ~EL(~rt). Após um intervalo de tempo
∆t, este campo ~EL(~rt) faz a ponta do líder saltar um comprimento λt para a posição~rt+∆t onde o
potencial passa a ser VL(~rt+∆t). Tal comportamento é equivalente ao apresentado pelo circuito da
Figura 11b. Entre as posições~rt e~rt+∆t a diferença de potencial gera uma corrente iL(~rt) limitada
Figura 11 – Diagrama da evolução de uma descarga atmosférica. (a) Líder descendente. (b) Circuito equivalente a um passo da descarga atmosférica. Composição vetorial do campo elétrico. (d) Líder ascendente.
Fonte: Rodrigues et al. (2016)
A transição de estado do líder ocorre pela ruptura da rigidez dielétrica do ar, portanto não há efeito capacitivo entre os estados. E devido a trajetória retilínea, o efeito indutivo foi desprezado. Deste modo, as reatâncias são desconsideras e a impedância se torna puramente resistiva, ou seja, Zt ≈ Rt.
De acordo com a Primeira Lei de Ohm na forma macroscópica, a variação do potencial é dada por,
VL(~rt) −VL(~rt+∆t) = RtiL(~rt). (2.2)
Se aplicarmos o operador gradiente nos dois membros da Equação 2.2, obtém-se um vetor campo elétrico que aponta na direção de maior variação de potencial, percorrendo uma trajetória retilínea
num salto de comprimento λtde acordo com o comportamento das descargas atmosféricas, ou
seja, ~
EL(~rt+∆t) − ~EL(~rt) = Rt∇iL(~rt). (2.3)
Na posição ~rt+∆t, supondo que a impedância é a mesma para todos os canais, o gradiente do
segundo membro da Equação 2.3 indica a direção de maior intensidade de corrente. Isto está de acordo com o que foi suposto anteriormente para o eflúvio que antecede a descarga plena.
Da Segunda Lei de Ohm, sabe-se que a resistência é diretamente proporcional ao comprimento λt, inversamente proporcional à condutividade σL e à área Atda secção transversal
do canal de condução, ou seja, Rt= λt
σLAt
. (2.4)
Assim, substituindo a Equação 2.4 em 2.3, obtém-se ~
EL(~rt+∆t) = ~EL(~rt) +
λt
σLAt
∇iL(~rt). (2.5)
Realocando os fatores de condutividade e área sobre a atuação do gradiente, chega-se à ~
EL(~rt+∆t) = ~EL(~rt) + λt∇ iL(~rt)
σLAt
. (2.6)
A taxa de corrente iL(~rt) por unidade de área At é igual ao módulo da densidade
de corrente JL(~rt) do canal. Através da Primeira lei de Ohm na forma pontual, obtém-se uma
expressão do campo elétrico em função do módulo da densidade de corrente e da condutividade do canal ionizado, ou seja,
~
JL(~rt) = σL~EL(~rt) ⇒ EL(~rt) =
JL(~rt) σL
. (2.7)
Substituindo a implicação da Equação 2.7 em 2.6, chega-se à ~
EL(~rt+∆t) = ~EL(~rt) + λt∇EL(~rt). (2.8)
A Equação 2.8 fornece o campo elétrico que movimenta a ponta do líder de uma descarga atmosférica no instante t + ∆t em função do campo elétrico no instante anterior t. A Figura 11 mostra a composição vetorial do campo elétrico no mesmo instante t + ∆t. O termo λt∇EL(~rt) será denominado termo de desvio. A vantagem da Equação 2.8 sobre a Equação 2.6
atua sobre três variáveis (não necessariamente, σL e At precisam ser constantes), o gradiente da
Equação 2.8 atua apenas sobre uma variável, EL(~rt).
A variação da posição da ponta do líder, do instante t para o instante t + ∆t, ocorre por um deslocamento λtna direção de ~EL(~rt), ou seja, na direção do vetor unitário ˆEL(~rt) definido
por, ˆ EL(~rt) ≡ ~ EL(~rt) EL(~rt). (2.9)
Estas considerações podem ser generalizadas por,
~rt+∆t−~rt= λtEˆL(~rt) (2.10)
que implica em
~rt+∆t=~rt+ λtEˆL(~rt) (2.11)
para posição do líder positivo no instante t + ∆t.
O próximo salto da DA ocorre no instante t + 2∆t, e a ponta do líder se desloca para a posição~rt+2∆t conforme
~rt+2∆t=~rt+∆t+ λtEˆL(~rt+∆t). (2.12)
Os passos se repetem até o líder descendente encontrar o ascendente.
Para o líder ascendente negativo, de forma análoga à Equação 2.8, obtém-se ~
EL(~rt+∆t) = ~EL(~rt) − λt∇EL, (2.13)
~rt+∆t =~rt− λtEˆL(~rt). (2.14)
O sinal negativo se deve ao fato de o líder negativo se deslocar para o potencial positivo, no sentido oposto ao campo elétrico. Assim, não importa se o raio é descendente ou ascendente, o sinal dos termos de desvio tem o mesmo sinal da carga qL do líder.
2.4.4.1 Aproximação Eletrostática
Considere um líder descendente positivo na iminência de deixar a nuvem. Como não há ainda um canal ionizado, o campo elétrico é influenciado pela nuvem, pelo o solo e pelas as estruturas sobre a superfície terrestre. Esse é um campo eletrostático que será denominado de campo elétrico de fundo ~Ef. Se a influência do campo elétrico gerado pelo canal ionizado
também for desconsiderada nos passos subsequentes, não é necessário fazer simulações no domínio do tempo para a trajetória da DA. Desse modo, segundo Rodrigues et al. (2016), é possível descrever a trajetória de uma descarga a partir de uma simulação eletrostática dada por ~
EL(~r) ≈ ~Ef(~r) + λ ∇Ef(~r). (2.15)
Nota-se que o campo elétrico da descarga atmosférica foi aproximado por uma função do campo elétrico de fundo ~Ef que por sua vez é uma função só da posição ~r. A vantagem de usar a aproximação eletrostática da Equação 2.15 em relação à evolução no tempo descrita pela Equação (2.5), é a rápida convergência de simulação.
2.5 Métodos de proteção contra descargas atmosféricas
Existem dois métodos de proteção contra descargas atmosféricas: a proteção através de captores do tipo Franklin e a proteção através da Gaiola de Faraday. Todo sistema de proteção possui três subsistemas como componentes:
a) Subsistema de captação: É formado por elementos metálicos, cuja função é basicamente receber os raios, minimizando a probabilidade de a estrutura ser atingida;
b) Subsistema de descidas: Tem a função de conduzir a corrente do raio recebida pelos captores até o aterramento, reduzindo ao mínimo a probabilidade de descargas laterais e de campos eletromagnéticos perigosos no interior da estrutura;
c) Subsistemas de aterramento elétrico: Utiliza eletrodos cravados no solo para dispersão da corrente elétrica de uma provável descarga atmosférica.
2.5.1 Método de “Franklin”
O método de Franklin foi desenvolvido por meio do cruzamento das descargas descendentes, que possuem atração da estrutura a partir do captor instalado no sistema de proteção (VISACRO, 2005).
O método Franklin tem sua aplicação preferencialmente em estruturas altas e delga-das. Entretanto, em edificações com alturas superiores a 20 metros este não método não se mostra tão eficaz, pois a aplicação deste sistema requer complementação para prevenir a ocorrência de descargas laterais. Na Figura 12 pode ser observado um exemplo de uma topologia de captores tipo Franklin sendo empregado em uma estrutura.
Figura 12 – Configuração de um SPDA do tipo Franklin
Fonte: Visacro (2005)
2.5.2 Gaiola de Faraday
Esse método atualmente é um dos mais utilizados, ele é baseado no princípio de que o campo elétrico no interior da gaiola condutora é nulo, já em outros locais, como na proximidade, por exemplo, existe um campo, e este pode gerar tensões induzidas nas instalações elétricas que estejam em paralelo ou próximos à gaiola (LEITE D, 2001). A proteção é constituída de captores formados por condutores na cobertura da edificação, conforme pode ser observado na Figura 13.
Figura 13 – Configuração da gaiola de Faraday
Desses captores são derivadas algumas descidas que irão se conectar ao sistema de aterramento. Quanto menor for a distância entre os condutores da malha captora, mais eficiente será a proteção, a implementação deste método requer a construção de uma gaiola condutora que envolva toda a estrutura, não admitindo que partes desta fiquem fora do envolto da gaiola. Assim, as descargas elétricas que atingirem a gaiola teriam seus fluxos de correntes conduzidos pelos condutores da gaiola e não pelas partes internas da estrutura.
2.6 Método dos elementos finitos
Os métodos numéricos são utilizados para solucionar problemas complexos na área de engenharia, onde a solução analítica é de difícil obtenção. Alguns problemas matemáticos podem ser solucionados através do cálculo numérico. A solução numérica apesar de ser uma aproximação do resultado normalmente possui elevado grau de exatidão.
Um método numérico bastante utilizado para a solução de problemas na área de eletricidade, é o método dos elementos finitos. Esse método foi inicialmente desenvolvido para atuar na área de estruturas, porém atualmente é empregado em diversas áreas como máquinas elétricas, aterramento etc (SADIKU, 2009).
O método dos elementos finitos exige alto esforço computacional, entretanto é muito eficaz em situações onde o problema é aplicado em meios heterogêneos e com geometria complexa (POTIER et al., 2010).
Para realizar uma análise utilizando esse método são necessários quatro etapas: A primeira etapa é a discretização da região de interesse em um número finito de sub-regiões. Nesta etapa a região de interesse é dividida em diversas outras figuras geométricas menores.
A segunda etapa consiste em obter as equações que regram um elemento típico. Neste passo é obtida uma equação que descreva o comportamento dentro de cada elemento subdividido.
No passo seguinte unem-se todos os elementos na região de solução utilizando uma matriz de equações. No quarto passo é resolvido as equações diferenciais (SADIKU, 2009).
2.6.1 Ferramenta computacional COMSOL Multiphysics
O COMSOL Multiphysics é um software de análise e solução de problemas por elementos finitos, onde é possível modelar e simular aplicações de engenharia, especialmente fenômenos multifísicos. O programa possui módulos adicionais que permitem melhorar a experiência nas áreas de elétrica, química, mecânica e mecânica dos fluidos.
O software também possui interface com MATLAB, além de permitir a importação quanto a exportação de arquivos CAD, o que facilita utilização de figuras mais complexas. Os pacotes são sustentados por plataformas mais utilizadas como Windows, Mac (MULTIPHYSICS, 2018). A Figura 14 ilustra o ambiente de programação e parametrização do software.
Figura 14 – Comsol Multiphysics
3 IDENTIFICAÇÃO E CARACTERÍSTICAS GERAIS DA PLANTA
Neste capítulo será realizada a identificação da planta e suas características gerais. A usina de minigeração fotovoltaica pertence a UFERSA, Universidade que se localiza na cidade de Mossoró, no estado do Rio Grande do Norte. O local foi escolhido por se localizar em uma região aberta, ou seja que não sofre nenhuma influência de estruturas próximas, possibilitando assim uma análise mais verossímil de proteção contra descargas atmosféricas.
A usina é classificada como minigeração, uma vez que sua potência instalada de 150, 8 kW é superior a 75 kW e inferior ou igual a 5 MW , além de está conectada na rede de distribuição da concessionária local. Os painéis fotovoltaicos presentes na usina transformam a radiação solar em energia elétrica de corrente contínua por meio do Efeito fotovoltaico.
Segundo informações da Universidade, a usina de minigeração fotovoltaica é capaz de evitar cerca de 1,51 toneladas por mês de emissões de dióxido de carbono, que seriam geradas por uma usina térmica. Também é capaz de produzir mensalmente de 20.790 kW h, sendo responsável pela geração de 5% da energia elétrica consumida no campus da UFERSA.
Figura 15 – Imagem geral da planta solar da UFERSA
Fonte: o autor
3.1 Painéis fotovoltaicos
Os painéis fotovoltaicos são do fabricante Canadian Solar, medindo 98 x 164 cm, totalizando 580 unidades distribuídas entre os 10 arranjos. A armadura das placas são compostas
por alumínio e as células por silício policristalino.
A potência máxima de geração dos painéis fotovoltaicos é de 150, 8 kW p, cada unidade possui as seguintes características construtivas:
• Tensão máxima de operação: 30, 4 V ; • Potência nominal máxima: 260 W p; • Corrente máxima de operação: 8, 56 A; • Tensão de circuito aberto: 37, 5 V ; • Corrente de curto-circuito: 9, 12 A. Figura 16 – Painel Canadian Solar
Fonte: (CANADIAN, 2018)
3.2 Inversores
As placas estão conectadas aos inversores, que fazem a conversão dessa energia de corrente contínua para alternada, nos níveis de tensão e frequência requeridos para acessar a rede de distribuição da Companhia Energetica do Rio Grande do Norte (COSERN).
Os inversores, por sua vez, se conectam ao transformador, com intuito de elevar a tensão para 13, 8 kV , injetando a energia gerada na rede de distribuição primária da UFERSA. A unidade possui 10 inversores do fabricante Ginlong Technologies, modelo Solis 15K, sendo cada um deles com potência nominal de 15 kW . A potência máxima de geração dos inversores em corrente contínua equivale a 172 kW , e a potência nominal de geração dos inversores em corrente alternada é de 150, 80 kW . Os inversores possuem a seguinte característica construtiva:
• Tensão máxima contínua: 1.000 V ; • Corrente máxima contínua: 18 A; • Frequência nominal: 60 Hz;
• Potência nominal alternada: 15.000 W ;
• Potência máxima de geração em corrente contínua: 17, 2 kW . Figura 17 – Inversor Solis 15K
Fonte: o autor
Os inversores possuem também possuem como função proteger o sistema elétrico, contra distúrbios de subtensão, sobretensão, sincronismo, sobrefrequência e subfrequência.
3.3 Subestação de distribuição
A energia gerada na Usina, depois de condicionada e injetada na rede interna de distribuição é consumida no próprio campus da UFERSA, reduzindo, assim, a necessidade de consumo de energia proveniente da própria concessionária local. O sistema possui uma subestação de distribuição que receberá energia oriunda do sistema fotovoltaico. Esta possui potência nominal de 150 kVA, através de um transformador trifásico, com tensão de alimentação primária de 13, 8 kV e tensão secundária de distribuição de 380 V , fechamento interno em delta-estrela com o neutro solidamente aterrado. O equipamento possui sistema de resfriamento a óleo mineral através do seu radiador elíptico.
Figura 18 – Subestação
